Mechanische metamaterialen gedragen zich vreemd op een grotere schaal

Natuurkunde

Metamaterialen gaan zich raar gedragen als ze groter worden. Dan worden ze niet rekbaarder, maar stijver.

Foto Corentin Coulais

Een rubberen blokje dat je wel naar rechts kunt schuiven, maar weerstand biedt als je het naar links probeert te duwen. Of een flexibel hol kubusje waarbij, als je er in knijpt, alle andere vlakken uitstulpen. Terwijl sommige vlakken juist naar binnen klappen als je er vanaf een andere kant op drukt. Metamaterialen staan bekend om hun gekke eigenschappen. En daar is er sinds kort een bij gekomen. Onderzoekers van het Amsterdamse instituut Amolf, Universiteit Leiden en de Universiteit van Amsterdam (UvA) ontdekten dat mechanische metamaterialen zich anders gaan gedragen als ze groter worden. Hun bevindingen verschenen op 25 september in Nature Physics.

„Ons metamateriaal bleek stijver te worden toen we de lengte verdubbelden”, vertelt Corentin Coulais van de UvA. Dat is precies het tegenovergestelde van wat er in normale materialen gebeurt. „Een elastiekje dat je twee keer zo lang maakt, is dubbel zo makkelijk uit te rekken.”

Mechanische metamaterialen hebben eigenschappen die bepaald worden door hun structuur in plaats van door het materiaal waarvan ze gemaakt zijn. Door het materiaal op een bepaalde manier te vormen, kunnen de mechanische eigenschappen dus gestuurd worden.

De onderzoekers keken naar een strip metamateriaal die opgebouwd is uit twee rijen met kleine, stevige, rubberen blokjes die ten opzichte van elkaar kunnen roteren. „Dat draaien zorgt ervoor dat het materiaal zich onnatuurlijk gedraagt als je eraan trekt of het indrukt”, vertelt Coulais. „Normaal materiaal heeft die rotaties niet. Dat rekt alleen op of wordt samengeperst.”

Toen ze de lengte van de strip verdubbelden, bleek het materiaal tot hun verrassing stijver te worden: het rekte minder ver op en was lastiger in te drukken. De onderzoekers modelleerden dit gedrag op de computer. Volgens het model treedt het vreemde effect niet alleen op bij een eendimensionale strip, maar ook bij een tweedimensionale rubberen plaat met een regelmatig gatenpatroon en bij driedimensionale structuren. Coulais: „Het is belangrijk om te weten wanneer het gedrag verandert als we het metamateriaal in de toekomst willen toepassen in bijvoorbeeld protheses.”

In de strip van blokjes die Coulais onderzocht, ontstaat het verrassende gedrag doordat de blokjes ver weg van het punt waar geduwd of getrokken wordt niet meer roteren. „Ze blijven statisch op hun plek”, vertelt Coulais. „De stevige blokjes kunnen alleen nog, net als gewoon rubber, ingedrukt of uitgerekt worden. Daardoor wordt het geheel stijver.”

De lengte waarbij de eigenschappen van het materiaal niet langer ‘meta’ zijn, heet de karakteristieke lengte. Is het korter dan die lengte, dan heeft het materiaal de eigenschappen die je van een metamateriaal verwacht. Is het langer, dan gedraagt het zich als een gewoon materiaal. „Hoe groot de karakteristieke lengte is hangt af van de manier waarop het materiaal opgebouwd is”, vertelt Coulais. In het geval van de roterende blokjes zijn de verbindingen bepalend. Als die sterk zijn, is de karakteristieke lengte groot en kan je het materiaal flink opschalen zonder dat het zijn eigenschappen verliest.

Coulais denkt dat het schaaleffect niet alleen vervelend is. „We kunnen de kennis over karakteristieke lengte gebruiken om te controleren of een beweging in een materiaal wel of niet doorgegeven wordt.